鈦生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展.doc

鈦生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展編者按：鈦是一種重要的原材料，在大部分軍用機(jī)中都占據(jù)了結(jié)構(gòu)重量相當(dāng)大的一部分。除了需要考慮宏觀層面的鈦市場供應(yīng)和需求趨勢外，未來的鈦工業(yè)還可能受到那些有助于降低鈦生產(chǎn)成本的技術(shù)革新的影響。本期專題概要介紹了部分新興鈦生產(chǎn)技術(shù)。鈦擁有一系列卓越的特性，比如高強(qiáng)度重量比、高溫下的高強(qiáng)度、耐腐蝕和熱穩(wěn)定性等，這使得其成為機(jī)身結(jié)構(gòu)材料的理想選擇。近年來一系列因素造成了鈦價(jià)格的飛漲，預(yù)計(jì)將影響未來軍用飛機(jī)的購置成本。本文將重點(diǎn)介紹：目前是否有一些可以顯著降低鈦生產(chǎn)成本的新興技術(shù)？這些技術(shù)最早什么時候可以應(yīng)用到相關(guān)產(chǎn)業(yè)？它們被采用和商業(yè)化的可能性有多大？可以在多大程度上降低鈦生產(chǎn)成本？1 新興生產(chǎn)技術(shù)鈦的生產(chǎn)過程包括幾個階段：鈦礦石提煉成海綿鈦，海綿鈦熔融、澆注成鈦錠，鈦錠加工成軋制成品，軋制成品制作成零部件。2 改良的鈦提取與精煉工藝2.1 技術(shù)背景許多研究人員正在為克羅爾工藝（Kroll process）尋找更快、所需勞動力和能源更少的替代工藝。Metalysi公司（劍橋大學(xué)附屬公司，原名為FFC）開發(fā)的劍橋工藝（Cambridge process，又稱“FFC劍橋工藝”）利用電解法來連續(xù)生產(chǎn)海綿鈦。國際鈦粉（ITP）公司（已于2008年底被全球領(lǐng)先的鈦白粉生產(chǎn)商CristalGlobal收購）開發(fā)的阿姆斯壯工藝（Armstrong process）通過連續(xù)低溫還原四氯化鈦來生產(chǎn)鈦粉。杜邦公司和材料與電化學(xué)研究公司（MER Corporation）開發(fā)的MER工藝?yán)弥苯与娊膺€原法生產(chǎn)鈦粉。先進(jìn)材料集團(tuán)（ADMA Group）開發(fā)的氫化脫氫工藝（hydride/ dehydride process，HDH）利用改良的克羅爾工藝用鈦廢料、屑和其它鈦廢棄物來直接生產(chǎn)鈦粉。值得注意的是，這四種新興鈦提取與精煉工藝中有三種是用于生產(chǎn)鈦粉。目前，鈦粉僅占鈦年產(chǎn)量的極小一部分。它是通過利用等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝（plasma rotating electrode process，PREP）或氣體霧化工藝（titanium gas atomization process，TGA）霧化軋制成品喂料制得的。由于只能用精煉鈦來生產(chǎn)，鈦粉及其昂貴，只用于高度專業(yè)化的應(yīng)用，如醫(yī)療植入物等。一種能夠直接從鈦礦生產(chǎn)鈦粉的工藝的出現(xiàn)，正如上述新興工藝一樣，將會使得鈦粉便宜很多，也有可能使其成為鈦市場的一個重要部分。2.2 優(yōu)勢與挑戰(zhàn)所有這些新興工藝都可以提高產(chǎn)量、降低能耗、減少資金投入，而且大多數(shù)情況下都采用連續(xù)化生產(chǎn)減少所需勞動力，從而降低成本。新興鈦粉生產(chǎn)工藝不需要VAR（真空電弧重熔）、EBM（電子束熔煉）或PAM（等離子弧熔煉）來生產(chǎn)最終零部件，從而省去了現(xiàn)有工藝中的許多步驟及相應(yīng)的重大基礎(chǔ)設(shè)施。如果能成功應(yīng)用的話，經(jīng)新技術(shù)改進(jìn)后的生產(chǎn)速度將擴(kuò)大鈦的市場供應(yīng)量，大大縮短交貨時間。能源和勞動力的節(jié)約也會使得鈦金屬價(jià)格下降，當(dāng)然這在一定程度上取決于生產(chǎn)者的意愿。這些技術(shù)的面臨的主要挑戰(zhàn)就是如何讓它們得以應(yīng)用。2.3 融入供應(yīng)鏈在上述四種新興工藝中，僅有劍橋工藝是由主要的海綿鈦生產(chǎn)商資助研發(fā)的，它用于直接生產(chǎn)海綿鈦，相對于其它三種用于生產(chǎn)鈦粉的工藝來說，集成到現(xiàn)有生產(chǎn)過程中會更加容易。鈦粉可直接作為海綿鈦的一種代替品集成到現(xiàn)有供應(yīng)鏈，但這將否定其大部分節(jié)約潛能，而且由于鈦粉的高生產(chǎn)成本，這在商業(yè)上也是不可行的。不過，如果劍橋工藝可以用于粉末冶金，節(jié)約效果將會非常大。后文將對粉末冶金進(jìn)行討論。只要這些新工藝中的任何一種取得成功，都將徹底改變幾十年來一直是基于同一技術(shù)、由少數(shù)幾家公司主導(dǎo)的市場。雖然新的提取技術(shù)可以為現(xiàn)有公司提供巨大優(yōu)勢，或者為該產(chǎn)業(yè)新興力量的出現(xiàn)提供基礎(chǔ)，利用這一優(yōu)勢將需要生產(chǎn)能力方面的大量投資?，F(xiàn)有設(shè)施對于克羅爾工藝來說可能是最優(yōu)的，但如果想要利用新技術(shù)則需要全面更新。因此，新提取技術(shù)很重要，但要進(jìn)入市場需要一定的時間。2.4 前景雖然改良的精煉工藝可以顯著降低生產(chǎn)成本，但大多數(shù)技術(shù)短期內(nèi)不太可能獲得成功應(yīng)用。據(jù)業(yè)界專家稱，劍橋工藝雖然已經(jīng)商業(yè)化多年，但仍然受到那些尚未得到解決的技術(shù)壁壘的阻礙。阿姆斯壯工藝多年來一直用于生產(chǎn)少量的鈦粉，但直到目前還沒有用于大規(guī)模生產(chǎn)，距離鈦粉的商業(yè)化生產(chǎn)仍有一定距離。有些人認(rèn)為MER工藝具有一定潛力，但目前尚處于開發(fā)初期，其前景仍不明朗。氫化脫氫工藝最有前途，ADMA集團(tuán)報(bào)道說正在尋求資金來擴(kuò)大其生產(chǎn)。專家認(rèn)為，這一工藝在數(shù)年后即可為美國陸軍生產(chǎn)鈦板。然而，由于其低成本優(yōu)勢主要是來源于鈦廢料的高利用率，該工藝不能完全取代克羅爾工藝。總之，鈦提取與精煉工藝的技術(shù)變革有可能會長期出現(xiàn)，目前仍然存在技術(shù)不確定性。3 鈦粉末冶金3.1 技術(shù)背景鈦粉末冶金（P/M）并不是一項(xiàng)新技術(shù)，更準(zhǔn)確地來說，它是一種完全不同的鈦零部件生產(chǎn)方法。作為一種成熟的技術(shù)，它已廣泛應(yīng)用于其它金屬（例如鋁），但在鈦金屬上的應(yīng)用很有限。通過粉末冶金生產(chǎn)零部件，所用的是粉末而不是海綿鈦。粉末加工成零部件的方法有幾種。金屬注射成形（MIM）是利用粘結(jié)劑將粉末粘結(jié)在一起，粘結(jié)劑在加熱過程中去除。在直接粉末軋制（DPR）中，粉末被軋制成片材，然后通過加熱、燒結(jié)進(jìn)行固化。在熱等靜壓（HIP）鑄造工藝中，粉末被加壓、加熱，形成近凈形鑄件。所有這些工藝都已成熟，目前已用于生產(chǎn)少量零部件。3.2 優(yōu)勢和挑戰(zhàn)粉末冶金可以限制與傳統(tǒng)鈦生產(chǎn)相關(guān)的浪費(fèi)。它不需要VAR（真空電弧重熔）、EBM（電子束熔煉）或PAM（等離子弧熔煉）。粉末可以直接形成任何形狀或軋制成品，提供了更高的產(chǎn)出。這一工藝也可以生產(chǎn)近凈形零部件，減少傳統(tǒng)的零部件生產(chǎn)通常伴隨的浪費(fèi)。通過在幾個步驟提高產(chǎn)出，粉末冶金減少了制造一個最終零部件所需的原材料。不過，粉末冶金也確實(shí)引入了一些新的問題。第一個是污染控制，這在過去就是一個問題，它將對航天金屬構(gòu)成一個特殊的挑戰(zhàn)。任何污染都將使得金屬不適用于航空航天零部件，所以加工必須是在潔凈室環(huán)境中進(jìn)行。此外，很難用粉末制造大型部件，而這些部件占據(jù)了飛機(jī)中的鈦的重要部分。最后，鈦粉是易燃、易爆物品，這可能對大量粉塵的處理造成困難。3.3 融入供應(yīng)鏈雖然粉末冶金目前是一個小眾市場（niche market），但經(jīng)濟(jì)型鈦粉來源的出現(xiàn)將使得這些工藝非常具有吸引力。航空航天設(shè)計(jì)的高結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)使得粉末冶金一時還難以出現(xiàn)在航空航天市場上。它可能會首先出現(xiàn)在軍事地面車輛裝甲中，其結(jié)構(gòu)要求沒有那么嚴(yán)格。盡管這不會直接影響到航空市場，但它可以通過減少海綿鈦需求來降低價(jià)格。粉末冶金最有可能作為一種新的軋制成品生產(chǎn)方法進(jìn)入航空航天市場，生產(chǎn)出的軋制成品可用于現(xiàn)有的制造技術(shù)。最終，它可用于目前在機(jī)身中應(yīng)用有限的近凈形鑄件和其它形式的生產(chǎn)。對粉末冶金的引進(jìn)速度影響最大的將是材料認(rèn)證。認(rèn)證過程的費(fèi)用和困難將致使各公司盡量避免在飛機(jī)中使用粉末冶金產(chǎn)品，除非它們在其它領(lǐng)域已有重要的應(yīng)用歷史。3.4 前景目前，粉末冶金在航空航天領(lǐng)域的主要應(yīng)用是發(fā)動機(jī)制造。它曾用于生產(chǎn)可以承受發(fā)動機(jī)最熱區(qū)域的極端條件的耐熱合金（Eisen, 1996）。由于污染控制問題，粉末冶金通常是在沒有其它辦法可以生產(chǎn)所需合金時才會使用。此外，粉末冶金也用于制造軍用飛機(jī)中的一些小零部件。粉末冶金想要在航空航天領(lǐng)域獲得更廣泛應(yīng)用，需要鈦和鈦軋制成品制造商們在靠近供應(yīng)鏈源頭處進(jìn)行大量的投資。鈦粉很容易被污染，且十分易燃、易爆，相關(guān)安全處理知識和設(shè)施的開發(fā)可能需要數(shù)年。如上面所討論的，鈦粉對行業(yè)可能帶來的影響取決于其可以被如何廉價(jià)地生產(chǎn)。4 一次熔煉工藝4.1 技術(shù)背景傳統(tǒng)的鈦生產(chǎn)工藝需要進(jìn)行23次VAR熔煉，50多年來這已經(jīng)成為了一種標(biāo)準(zhǔn)。近來的技術(shù)進(jìn)展去除多次熔煉，只經(jīng)過一次電子束熔煉（EBM）或等離子弧熔煉（PAM）處理，生產(chǎn)出的鈦即可滿足多數(shù)航空應(yīng)用的要求。4.2 優(yōu)勢一次熔煉工藝減少了一個熔煉步驟，在提高產(chǎn)量、節(jié)約時間和能源的同時，也比傳統(tǒng)的真空電弧重熔（VAR）法的生產(chǎn)速度要高。采用VAR兩次熔煉法生產(chǎn)一批37噸的鈦需要超過2025天的時間，而采用單次EBM熔煉法可以在14天內(nèi)生產(chǎn)出超過15噸的鈦。EBM和PAM工藝還可利用小塊和純度較低的廢料，將推動對回收鈦的需求。以上這些優(yōu)勢使得一次熔煉法非常適合大規(guī)模生產(chǎn)，盡管這種工藝并不適用于小批量的特殊合金制備。同時，采用EBM或PAM工藝比較難以控制產(chǎn)品的化學(xué)組分，但這只是一個小問題而已。4.3 融入供應(yīng)鏈一次熔煉法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，不太可能引發(fā)市場發(fā)生太大變化。由于這種工藝需要主要鈦生產(chǎn)商進(jìn)行大量的資本投資，故而這一工藝還只是在緩慢地向市場進(jìn)行滲透。不過由于鈦的市場價(jià)格很高，生產(chǎn)商正在擴(kuò)大產(chǎn)能，一次熔煉法有望在不遠(yuǎn)的將來成為新建工廠普遍采用的一種工藝。擴(kuò)大這類工藝應(yīng)用的一個最大障礙是一次熔煉材料（single-melt materials）的認(rèn)證。波音公司和TIMET公司已經(jīng)就一次熔煉材料的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了若干年的談判，但仍沒有達(dá)成一致。不過，雙方相信他們已經(jīng)距離達(dá)成協(xié)議不遠(yuǎn)了，這意味著單次熔煉法的采用更多的是時間早晚的問題。不過，即使一次熔煉法成功推廣開來，客戶依然可能無法在短期內(nèi)享受到成本的下降。市場的供不應(yīng)求會使生產(chǎn)商將節(jié)省下的成本當(dāng)作額外利潤予以保留，可能只有出現(xiàn)市場低迷后，成本削減才會傳導(dǎo)到終端用戶（包括飛機(jī)制造商）。長遠(yuǎn)來看，一次熔煉工藝將成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。雖然該工藝目前尚未被用于商業(yè)生產(chǎn)，但它已經(jīng)在若干軍事項(xiàng)目中有所應(yīng)用。F-15戰(zhàn)機(jī)的尾部構(gòu)件就是采用單次熔煉材料制造的，靜態(tài)引擎部件以及引擎壓氣機(jī)葉片也是。對軍事項(xiàng)目而言，認(rèn)證并不是大問題。主要限制將在于一次熔煉法產(chǎn)能的擴(kuò)大速度，以及價(jià)格競爭能夠在多大程度上迫使主要生產(chǎn)商替換其VAR產(chǎn)能。5 實(shí)體自由成形制造5.1 技術(shù)背景實(shí)體自由成形制造使用點(diǎn)熱源來融化連續(xù)層中的鈦絲，制成復(fù)雜的三維零部件。此外，鈦粉也可用于制作這種部件。Arcam和AeroMet等許多公司都開發(fā)了這種技術(shù)，通常是采用電子束或激光束作為熱源。5.2 優(yōu)勢與挑戰(zhàn)這些工藝比現(xiàn)有的部件制造技術(shù)要快很多，需要的能源較低而產(chǎn)生的廢棄物更少。盡管具有這些優(yōu)勢，但采用實(shí)體自由成形制造技術(shù)制造部件仍然比用傳統(tǒng)技術(shù)制造的部件要貴，這主要是由于所需勞動力和技術(shù)等因素。這一技術(shù)主要適合于小部件的制造，它們只占航空材料的一小部分。有限的應(yīng)用限制了其成本節(jié)約潛力和對軍用飛機(jī)的成本的影響。5.3 前景這種技術(shù)是由AeroMet公司與波音公司以及美國國防高級研究計(jì)劃署聯(lián)合開發(fā)的，并在AeroMet公司得到示范應(yīng)用。作為與波音公司合約的一部分，AeroMet公司對F/A-18戰(zhàn)機(jī)的一些機(jī)翼部件進(jìn)行了全尺寸地面測試，并且能夠?qū)λ鼈兊纳a(chǎn)使用進(jìn)行認(rèn)證。AeroMet公司于2005年倒閉，但專家認(rèn)為，采用類似技術(shù)生產(chǎn)的部件已經(jīng)在軍用飛機(jī)上得到了應(yīng)用。6 機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)步6.1 技術(shù)背景與優(yōu)勢鈦極難進(jìn)行機(jī)械加工，其活性限制了工具表面的溫度，因而也限制了加工速度；此外，導(dǎo)熱性能不佳也是一個問題。鈦的硬度很容易令加工工具快速磨損。以前，這些問題的存在使得加工成本近乎是原材料成本的兩倍。近年來，一系列的進(jìn)步大大降低了機(jī)械加工成本。例如，過去由于結(jié)構(gòu)負(fù)荷的不確定性，零部件的設(shè)計(jì)就需要一些富余以應(yīng)對那些不確定性；現(xiàn)在，借助電腦設(shè)計(jì)可以更好地進(jìn)行分析，減少富余。同樣地，部件加工也可預(yù)先分析，優(yōu)化的設(shè)計(jì)可以降低勞動力成本并提高產(chǎn)量。這些進(jìn)步仍將持續(xù)下去，在不遠(yuǎn)的將來，機(jī)械加工成本還將不斷降低。6.2 市場與前景這些變化似乎是機(jī)械加工漸進(jìn)、累積進(jìn)步的結(jié)果，而不是單一技術(shù)創(chuàng)新的結(jié)果。這些進(jìn)步源于接近供應(yīng)鏈末端的零部件制造商的變化，它們包括波音、洛克希德馬丁等主要的鈦用戶，也包括一些小規(guī)模的代工機(jī)械工廠。市場的多元化以及漸進(jìn)的技術(shù)變革將推動創(chuàng)新的快速應(yīng)用，這些創(chuàng)新將使最終零部件的制造成本呈不斷下降的趨勢，而不是突然的降低。在零部件生產(chǎn)中，很高的BTF比率（buy-to-fly ratio，即制造一個零部件所需的原材料量與最終零部件中所含材料量的比率）往往是高成本的根源所在。改進(jìn)這一比例，就像改進(jìn)提煉、熔融、軋制成品生產(chǎn)的產(chǎn)出率一樣，可以降低生產(chǎn)零部件所需的原材料量。開放資源關(guān)于這一領(lǐng)域的工作細(xì)節(jié)很少，但該領(lǐng)域似乎是航空公司的關(guān)注重點(diǎn)。盡管尚不清楚會出現(xiàn)什么變化，但BTF的改進(jìn)方法應(yīng)當(dāng)?shù)玫奖O(jiān)測。6.3 新興技術(shù)在節(jié)約成本方面的潛力為了使人們對上文所討論的技改在期限、可行性、節(jié)約成本潛力等方面有一個更加理性的認(rèn)識，蘭德公司邀請相關(guān)行業(yè)專家盡可能準(zhǔn)確地回答下列問題：這些新興技術(shù)最早什么時候可以應(yīng)用于相關(guān)產(chǎn)業(yè)？這些技術(shù)被采用和商業(yè)化的可能性有多大？這些技術(shù)能夠在多大程度上降低鈦生產(chǎn)成本？每項(xiàng)新興技術(shù)應(yīng)用的期限被評估劃分為近期（13年）、中期（47年）和遠(yuǎn)期（810年）?？尚行约肮?jié)約成本潛力被評估劃分為低、中、高三檔。需要注意的是，這些評估是針對普通鈦市場的技術(shù)應(yīng)用，并非只是航空市場。嚴(yán)格的認(rèn)證要求和保守的工程學(xué)可能會阻礙一項(xiàng)技術(shù)在航空航天市場的應(yīng)用，直到其在一般市場得到檢驗(yàn)后多年。此外，成本節(jié)約是相對于目前應(yīng)用的所有工藝。比方說，一項(xiàng)制造技術(shù)可能可以節(jié)約某種部件的生產(chǎn)成本，但這個部件可能僅占飛機(jī)所用全部鈦的一小部分。與行業(yè)技術(shù)專家討論的結(jié)果匯總于表1。雖然改良的提煉技術(shù)獨(dú)自帶來的成本集約有限，但可以使得粉末冶金方法經(jīng)濟(jì)可行，這將產(chǎn)生更大的節(jié)約。目前，鈦粉極貴，然而新興的生產(chǎn)技術(shù)有望讓其在將來比海綿鈦更便宜。兩大進(jìn)展的結(jié)合（克羅爾工藝的改良替代工藝、經(jīng)濟(jì)可行的粉末冶金技術(shù)的發(fā)展）將會產(chǎn)生巨大的成本節(jié)約潛力。利用其它新技術(shù)取代當(dāng)前使用的一些昂貴的工藝也可以產(chǎn)生成本節(jié)約。改良的機(jī)械加工技術(shù)具有特別高的近期成本節(jié)約潛力。表1 新興技術(shù)的成本節(jié)約潛力分類技術(shù)期限可行性成本節(jié)約能力改良的提煉與精制技術(shù)阿姆斯壯工藝中期低低劍橋工藝中期低低MER工藝中期中低氫化脫氫工藝近期中低粉末冶金熱等靜壓鑄造遠(yuǎn)期高高軋制成品粉末冶金遠(yuǎn)期高中近凈形粉末冶金遠(yuǎn)期中高一次熔煉工藝?yán)浯踩蹮捊诟叩蛯?shí)體自由成形制造實(shí)體自由成形制造中期中中改良的機(jī)械加工技術(shù)多種近期高高注：該表不包括系統(tǒng)調(diào)查的結(jié)果，而是基于行業(yè)技術(shù)專家的認(rèn)知以及蘭德公司對文獻(xiàn)